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Obtaining HMOs through Enzymatic Synthesis

16/03/2022
Dr. Mireia Castejón recently defended her doctoral thesis at IQS, where she has managed to obtain the tetrasaccharide compound lacto-N-tetraose, present in breast milk, by enzymatic synthesis. This opens the door to obtaining new biocatalysts for the synthesis of HMO oligosaccharides by this route.
Obtención de HMOs por síntesis enzimática
Dr. Antoni Planas, Dra. Mireia Castejón y Dra. Magda Faijes.

La leche materna aporta numerosos beneficios a los recién nacidos, debido especialmente a los oligosacáridos conocidos como HMOs (siglas de su nombre en inglés Human Milk Oliogosaccharides), con diversas funciones biológicas que los hace actuar como prebióticos inmunomoduladores o inhibidores patógenos, entre otros. Los HMOs están presentes en una composición única y muy variable, que aporta la leche materna características propias y difícilmente sustituibles.

A dia de hoy, se han identificado más de 200 estructuras de HMOs diferentes, siendo imposible su obtención a partir de fuentes naturales. Además, debido a su elevada complejidad estructural, la síntesis química a gran escala de estos carbohidratos sigue siendo un reto, requiriendo de numerosas etapas sintéticas. Las leches de fórmula comerciales contienen, así, solo HMOs de estructuras simples. Por tanto, uno de los grandes retos en la producción de estos tipos de leches es conseguir un producto con propiedades que mimeticen el máximo posible con la leche materna. La síntesis enzimática se presenta como una interesante alternativa sintética para la producción de estos compuestos, ya que gracias a los enzimas, permite controlar la estéreo i regio-selectividad del oligosacárido formado. Además, es fácil de transferir a proceso industrial, siendo una tecnología limpia y respetuosa con el medio ambiente.

En este contexto, la Dra. Mireia Castejón defendió recientemente su tesis doctoral realizada en el Departamento de Bioingenieria de IQS School of Engineering, bajo el título ‘Oligosacáridos de la leche materna: un reto para las leches de formula. Ingeniería de proteínas del enzima lacto-N-biosidasa de Bifidobacterium bifidum para la síntesis de lacto-N-tetraosa’. La tesis ha sido dirigida por la Dra. Magda Faijes, profesora titular, y por el Dr. Antoni Planas, profesor catedrático, del Departamento de Bioingeniería, ambos miembros del Grupo de Química Biológica y Biotecnológica (GQBB).

Síntesis enzimática de lacto-N-tetraosa

Uno de los HMOs mayoritario presente en la leche materna es el tetrasacárido lacto-N-tetraosa (LNT) y sus derivados fucosilados y/o sialilados. El responsable de su hidrólisis por la microbiota en el tracto intestinal de los recién nacidos es el enzima lacto-N-biosidasa de B.bifidum (LnbB), que pertenece a la familia GH20 de las glicosil hidrolasas. En su investigación, la Dra. Castejón ha realizado el rediseño del LnbB, con el fin de obtener un biocatalizador eficiente para la producción de la LNT por vía enzimática.

Mediante el estudio estructural de los subsitios negativos del enzima LnbB, se han rediseñado éstos empleando métodos de ingeniería de proteínas, para evaluar la síntesis de LNT mediante la estrategia de transglicosidación por control cinético, utilizando dadores glicosidados activados. Se han seleccionado y modificado aquellos aminoácidos involucrados en la unión y estabilizaciones de la molécula donadora. Tras la realización de la selección y caracterización de los distintos mutantes, el W394F – un triptófano sustituido por fenilalanina en el centro activo del enzima – ha resultado el más eficaz, con un rendimiento de obtención de LNT del 32% en una única etapa.

También se han explorado otras mutaciones en el entorno del lugar de unión de substratos, mediante la herramienta computacional BINDSCAN desarrollada en el Laboratorio de Bioquímica de IQS para asistir en el diseño in silico de la especificidad enzimática. Si bien la eficiencia en la síntesis de LNT es aun moderada, este trabajo abre las puertas a futuras investigaciones que se están llevando a cabo en IQS para conseguir nuevos biocatalizadores para la síntesis enzimática de HMOs.

Esta tesis doctoral ha recibido financiación dentro del proyecto GLYCO2ZYMES BIO2013-49022-C2-1-R del Plan Nacional I+D+i del Ministerio de Ciencia e Innovacion de España.

Publicaciones relacionadas

  1. Castejón, M. Faijes, A. Planas, Trasnglycosylation activity of engineered bifidobacterium lacto-N-biosidase mutants at donor subsites for lacto-N-tetraose synthesis, Int. J. Mol. Sci.202122(6), 3230
  2. Faijes, M. Castejón, C. Val, A. Planas, Enzymatic and cell factory approaches to the production of human milk oligosaccharides, Biotechnology Advances 37, 667–697 (2019)

Más información
BINDSCAN, diseño asistido de enzimas

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Antoni Planas Sauter, PhD

Head of GQBB Group - Professor
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GQBB

Grup de Química Biològica i Biotecnològica

School of Engineering

Biological and Biotechnological Chemistry

Its activity focuses on the identification and molecular analysis of proteins and enzymes as therapeutic targets, together with the design and application of enzymes in biocatalysis and biotechnology with microorganisms.

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GLYCODESIGN (Ingenieria enzimática)

Ingeniería de proteínas e ingeniería metabólica de glicozimas para la producción de glicanos y glicoconjugados bioactivos orientados a aplicaciones biomédicas
Funding Agency:
Research Group Link:
Biological and Biotechnological Chemistry (GQBB)